Staðlaðir flötir tankar fyrir rafknúna ökutæki (EBV) og rafknúna ökutæki (FCEV) nota hitaplast og hitahert samsett efni með beinagrindarbyggingu sem veitir 25% meiri H2 geymslu. #vetni #trends
Eftir að samstarf við BMW sýndi að rúmmetratankur gæti skilað meiri rúmmálsnýtni en margir litlir sílindrar, hóf Tækniháskólinn í München verkefni til að þróa samsetta uppbyggingu og stigstærðanlegt framleiðsluferli fyrir fjöldaframleiðslu. Mynd: TU Dresden (efst) til vinstri), Tækniháskólinn í München, deild kolefnissamsettra efna (LCC)
Rafknúin ökutæki með eldsneytisfrumum (FCEV) sem knúin eru með núlllosunarvetni (H2) bjóða upp á viðbótarleið til að ná núllum umhverfismarkmiðum. Fólksbíl með eldsneytisfrumum og H2 vél er hægt að fylla á 5-7 mínútum og hefur 500 km drægni, en er dýrari eins og er vegna lítillar framleiðslu. Ein leið til að draga úr kostnaði er að nota staðlaðan grunn fyrir BEV og FCEV gerðir. Þetta er ekki mögulegt eins og er þar sem sívalningstankar af gerð 4 sem notaðir eru til að geyma þjappað H2 gas (CGH2) við 700 bör í FCEV ökutækjum henta ekki fyrir rafhlöðuhólfin undir bílnum sem hafa verið vandlega hönnuð fyrir rafknúin ökutæki. Hins vegar geta þrýstihylki í formi kodda og teninga passað inn í þetta flata rými.
Einkaleyfi US5577630A fyrir „Composite Conformal Pressure Tank“, umsókn lögð fram af Thiokol Corp. árið 1995 (vinstri megin) og rétthyrnt þrýstihylki sem BMW fékk einkaleyfi á árið 2009 (hægri megin).
Deild kolefnissamsettra efna (LCC) við Tækniháskólann í München (TUM, München, Þýskalandi) tekur þátt í tveimur verkefnum til að þróa þessa hugmynd. Hið fyrra er Polymers4Hydrogen (P4H), undir forystu Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austurríki). Verkefnið um LCC er leitt af félaganum Elizabeth Glace.
Annað verkefnið er Vetnissýningar- og þróunarumhverfið (HyDDen), þar sem rannsóknarmaðurinn Christian Jaeger leiðir LCC. Markmið beggja verkefna er að skapa stórfellda sýnikennslu á framleiðsluferlinu til að búa til hentugan CGH2 tank úr kolefnisþráðasamsetningum.
Rúmmálsnýtingin er takmörkuð þegar litlir strokkar eru settir upp í flötum rafhlöðufrumum (vinstri megin) og teningslaga þrýstihylkjum af gerð 2 úr stálfóðringum og ytra byrði úr kolefnistrefjum/epoxý-samsettu efni (hægri megin). Mynd: Myndir 3 og 6 eru úr „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs“ eftir Ruf og Zaremba o.fl.
P4H hefur smíðað tilraunakenndan teningatank sem notar hitaplastgrind með samsettum spennuólum/stuðningum vafðum í kolefnisstyrktan epoxy. HyDDen mun nota svipaða hönnun en mun nota sjálfvirka trefjauppsetningu (AFP) til að framleiða alla hitaplastsamsetta tanka.
Frá einkaleyfisumsókn Thiokol Corp. fyrir „Composite Conformal Pressure Vessel“ árið 1995 til þýska einkaleyfisins DE19749950C2 árið 1997, geta þrýstigasílát „haft hvaða rúmfræðilega lögun sem er“, en sérstaklega flat og óregluleg form, í holrými sem tengist stoðgrindinni. Þrýstiþættir eru notaðir þannig að þeir geti þolað útþenslukraft gassins.
Í grein frá Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) frá árinu 2006 er þremur aðferðum lýst: þráðvafið samsíða þrýstihylki, örristþrýstihylki sem inniheldur innri rétthyrndan grindarbyggingu (smáar frumur 2 cm eða minni), umkringt þunnveggjum H2-íláti, og afritunarílát, sem samanstendur af innri uppbyggingu sem samanstendur af límdum smáhlutum (t.d. sexhyrndum plasthringjum) og samsetningu af þunnri ytri skel. Afrit af ílátum henta best fyrir stærri ílát þar sem hefðbundnar aðferðir geta verið erfiðar í notkun.
Einkaleyfið DE102009057170A, sem Volkswagen skráði árið 2009, lýsir þrýstihylki sem fest er í ökutæki og skilar mikilli þyngdarnýtingu og bætir rýmisnýtingu. Rétthyrndir tankar nota spennutengi milli tveggja rétthyrndra gagnstæðra veggja og hornin eru ávöl.
Gleiss vitnar í ofangreindum og öðrum hugmyndum í greininni „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars“ eftir Gleiss o.fl. á ECCM20 (26.-30. júní 2022, Lausanne, Sviss). Í þessari grein vitnar hún í rannsókn frá TUM sem Michael Roof og Sven Zaremba birtu, þar sem komist var að því að rúmmetra þrýstihylki með spennistöngum sem tengja saman rétthyrndar hliðar er skilvirkara en nokkrir litlir sívalningar sem passa í rými tómrar rafhlöðu, sem veitir um það bil 25% meira geymslurými.
Samkvæmt Gleiss er vandamálið við að setja upp fjölda lítilla 4-gerða strokka í flötum kassa að „rúmmálið á milli strokkanna er mjög minnkað og kerfið hefur einnig mjög stórt gegndræpisflöt fyrir vetnisgas. Í heildina býður kerfið upp á minni geymslurými en teningslaga krukkur.“
Hins vegar eru önnur vandamál með teningslaga hönnun tanksins. „Augljóslega, vegna þjappaðs gass, þarf að vinna gegn beygjukraftinum á flötum veggjum,“ sagði Gleiss. „Til þess þarf styrkt mannvirki sem tengist innvortis við veggi tanksins. En það er erfitt að gera með samsettum efnum.“
Glace og teymi hennar reyndu að fella styrktarspennujárn inn í þrýstihylkið á þann hátt að það hentaði fyrir þráðuppröðunarferlið. „Þetta er mikilvægt fyrir framleiðslu í miklu magni,“ útskýrir hún, „og gerir okkur einnig kleift að hanna uppröðunarmynstur ílátveggja til að hámarka stefnu trefjanna fyrir hverja hleðslu á svæðinu.“
Fjögur skref til að búa til prufuútgáfu af rúmmetraþrýstitanki fyrir P4H verkefnið. Mynd: „Þróun framleiðsluferlis fyrir rúmmetraþrýstitanka með styrktarstuðningi“, Tækniháskólinn í München, Polymers4Hydrogen verkefnið, ECCM20, júní 2022.
Til að ná fram keðjuverkun hefur teymið þróað nýja hugmynd sem samanstendur af fjórum meginþrepum, eins og sýnt er hér að ofan. Spennustyrkirnir, sem sýndir eru með svörtu á þrepunum, eru forsmíðaðir rammavirki sem smíðað er með aðferðum úr MAI Skelett verkefninu. Fyrir þetta verkefni þróaði BMW framrúðuramma með fjórum trefjastyrktum pultrusion stöngum, sem síðan voru mótaðir í plastramma.
Rammi tilraunakennds rúmmetratanks. Sexhyrndar beinagrindarsneiðar prentaðir í þrívídd af TUM með óstyrktum PLA þráðum (efst), þar sem CF/PA6 pultrusion stöngum er komið fyrir sem spennustyrkir (miðja) og þráðurinn síðan vefur utan um styrkingarnar (neðst). Mynd: Tækniháskólinn í München LCC.
„Hugmyndin er sú að hægt sé að smíða ramma rúmmetratanks sem einingabyggingu,“ sagði Glace. „Þessar einingar eru síðan settar í mótunarverkfæri, spennistuðlarnir eru settir í rammaeiningarnar og síðan er aðferð MAI Skelett notuð utan um stuðlurnar til að samþætta þær við rammahlutana.“ fjöldaframleiðsluaðferðin leiðir til byggingar sem síðan er notaður sem dorn eða kjarni til að vefja samsetta skel geymslutanksins.
TUM hannaði ramma tanksins sem teningslaga „púða“ með heilum hliðum, ávölum hornum og sexhyrndu mynstri að ofan og neðan sem hægt er að setja inn og festa bönd. Götin fyrir þessi rekki voru einnig þrívíddarprentuð. „Fyrir fyrsta tilraunatankinn okkar þrívíddarprentuðum við sexhyrnda rammahluta með því að nota pólýmjólkursýru [PLA, lífrænt hitaplast] vegna þess að það var auðvelt og ódýrt,“ sagði Glace.
Teymið keypti 68 pultruderaðar koltrefjastyrktar pólýamíð 6 (PA6) stangir frá SGL Carbon (Meitingen, Þýskalandi) til notkunar sem tengibönd. „Til að prófa hugmyndina framkvæmdum við enga mótun,“ segir Gleiss, „heldur settum við einfaldlega millileggi í þrívíddarprentaðan hunangslíkanskjarna og límdum þá með epoxylími. Þetta veitir síðan dorn til að vinda tankinn.“ Hún bendir á að þó að þessar stangir séu tiltölulega auðveldar í vindingu, þá eru nokkur veruleg vandamál sem verða lýst síðar.
„Í fyrsta stigi var markmið okkar að sýna fram á framleiðsluhæfni hönnunarinnar og greina vandamál í framleiðsluhugmyndinni,“ útskýrði Gleiss. „Þannig standa spennistuðlarnir út frá ytra yfirborði beinagrindarbyggingarinnar og við festum kolefnistrefjarnar við þennan kjarna með blautum þráðum. Eftir það, í þriðja skrefi, beygjum við höfuð hvers tengistöng. Hitaplast, þannig að við notum bara hita til að móta höfuðið þannig að það fletjist út og læsist í fyrsta laginu af umbúðum. Við höldum síðan áfram að vefja byggingunni aftur þannig að flati þrýstihausinn sé rúmfræðilega umlukinn tankinum. Lagskipting á veggjunum.
Millilok fyrir vindingu. TUM notar plastlok á endum spennistönganna til að koma í veg fyrir að trefjarnar flækist saman við vindingu þráðarins. Mynd: Tækniháskólinn í München LCC.
Glace ítrekaði að þessi fyrsti tankur væri sönnun á hugmyndinni. „Notkun þrívíddarprentunar og líms var aðeins til upphafsprófunar og gaf okkur hugmynd um nokkur af þeim vandamálum sem við lentum í. Til dæmis, við uppröðun festust þræðirnir í endum spennistönganna, sem olli trefjabrotum, trefjaskemmdum og minnkaði trefjamagn til að bregðast við þessu. Við notuðum nokkrar plasthettur sem framleiðsluhjálp sem voru settar á stöngina fyrir fyrsta uppröðunarskrefið. Síðan, þegar innri lagskiptin voru gerð, fjarlægðum við þessar hlífðarhettur og mótuðum enda stönganna upp á nýtt áður en lokaumbúðunum var vafið.“
Teymið gerði tilraunir með ýmsar endurgerðaraðstæður. „Þeir sem skoða sig um vinna best,“ segir Grace. „Einnig, á frumgerðarstiginu, notuðum við breytt suðuverkfæri til að beita hita og móta tengistöngendana. Í fjöldaframleiðsluhugmynd væri eitt stærra verkfæri sem getur mótað og mótað alla enda stanganna í innri áferðarlaminat á sama tíma.“
Dráttarstönghausar endurmótaðir. TUM gerði tilraunir með mismunandi hugmyndir og breytti suðunum til að samræma enda samsettra böndanna til festingar við vegglag tanksins. Mynd: „Þróun framleiðsluferlis fyrir rúmmetraþrýstihylki með styrktarbandi“, Tækniháskólinn í München, Polymers4Hydrogen verkefnið, ECCM20, júní 2022.
Þannig er lagskipt efni hert eftir fyrsta vafningsskrefið, stólparnir eru endurmótaðir, TUM lýkur annarri vafningu þráðanna og síðan er lagskipt efni á ytri vegg tanksins hert í annað sinn. Athugið að þetta er tankhönnun af gerð 5, sem þýðir að hún er ekki með plastfóðringu sem gasþröskuld. Sjá umræðu í kaflanum Næstu skref hér að neðan.
„Við klipptum fyrstu sýnishornið í þversniði og kortlögðum tengda svæðið,“ sagði Glace. „Nærmynd sýnir að við höfðum nokkur gæðavandamál með lagskiptinguna, þar sem stuðningshausarnir lágu ekki flatt á innra lagskiptingunni.“
Að leysa vandamál með bil á milli lagskipts innri og ytri veggja tanksins. Breytt tengistönghaus býr til bil á milli fyrstu og annarrar beygju tilraunatanksins. Mynd: Tækniháskólinn í München LCC.
Þessi upphaflegi 450 x 290 x 80 mm tankur var kláraður síðasta sumar. „Við höfum náð miklum árangri síðan þá, en það er ennþá bil á milli innra og ytra lagskipts,“ sagði Glace. „Þannig að við reyndum að fylla þessi bil með hreinu, seigjuríku plastefni. Þetta bætir í raun tenginguna milli naglanna og lagskiptsins, sem eykur verulega vélræna álagið.“
Teymið hélt áfram að þróa hönnun og ferli tanksins, þar á meðal lausnir fyrir æskilegt vafningsmynstur. „Hliðar prófunartanksins voru ekki alveg beygðar því það var erfitt fyrir þessa rúmfræði að búa til vafningsleið,“ útskýrði Glace. „Upphaflega vafningshornið okkar var 75°, en við vissum að margar rafrásir voru nauðsynlegar til að mæta álaginu í þessu þrýstihylki. Við erum enn að leita að lausn á þessu vandamáli, en það er ekki auðvelt með hugbúnaðinum sem er nú á markaðnum. Það gæti orðið framhaldsverkefni.“
„Við höfum sýnt fram á að þessi framleiðsluhugmynd sé framkvæmanleg,“ segir Gleiss, „en við þurfum að vinna frekar að því að bæta tenginguna milli lagskiptingarinnar og endurmóta tengistöngina. Ytri prófanir á prófunarvél. Þú dregur millileggina úr lagskiptingunni og prófar vélræna álagið sem þessir samskeyti þola.“
Þessum hluta Polymers4Hydrogen verkefnisins verður lokið í lok árs 2023, og þá vonast Gleis til að ljúka öðrum tilraunatankinum. Athyglisvert er að í hönnunum í dag eru notaðir hreinir, styrktir hitaplastar í grindinni og hitaherðandi samsettir efni í veggjum tanksins. Verður þessi blendingsaðferð notuð í loka tilraunatankinum? „Já,“ sagði Grace. „Samstarfsaðilar okkar í Polymers4Hydrogen verkefninu eru að þróa epoxy plastefni og önnur samsett efni með betri vetnishindrunareiginleikum.“ Hún telur upp tvo samstarfsaðila sem vinna að þessu verki, PCCL og Háskólann í Tampere (Tampere, Finnlandi).
Gleiss og teymi hennar skiptu einnig upplýsingum og ræddu hugmyndir við Jaeger um annað HyDDen verkefnið frá LCC samþætta tankinum.
„Við munum framleiða samsett þrýstihylki úr samsettu efni fyrir rannsóknardróna,“ segir Jaeger. „Þetta er samstarfsverkefni milli tveggja deilda flug- og landmælingadeildar TUM – LCC og þyrlutæknideildar (HT). Verkefninu verður lokið fyrir lok árs 2024 og við erum nú að ljúka við þrýstihylkið. Hönnun sem er frekar eins og nálgun í flug- og bílaiðnaði. Eftir þetta upphafsstig er næsta skref að framkvæma ítarlega burðarlíkön og spá fyrir um hindrunarvirkni veggbyggingarinnar.“
„Hugmyndin er að þróa könnunardróna með blendingseldsneytisrafhlöðu og rafhlöðukerfi,“ hélt hann áfram. Hann mun nota rafhlöðuna við mikla orkunotkun (þ.e. flugtak og lendingu) og skipta síðan yfir í eldsneytisrafhlöður við léttan akstur. „HT-teymið átti nú þegar rannsóknardróna og endurhannaði drifrásina til að nota bæði rafhlöður og eldsneytisrafhlöður,“ sagði Yeager. „Þeir keyptu einnig CGH2-tank til að prófa þessa gírkassa.“
„Teymið mitt fékk það verkefni að smíða frumgerð af þrýstitanki sem myndi passa, en ekki vegna vandamála með umbúðir sem sívalningslaga tankur myndi skapa,“ útskýrir hann. „Flattari tankur býður ekki upp á eins mikla vindmótstöðu. Þannig færðu betri fluggetu.“ Stærð tanksins er u.þ.b. 830 x 350 x 173 mm.
Tankur sem er fullkomlega hitaplastískur og uppfyllir AFP-gildi. Fyrir HyDDen verkefnið kannaði LCC-teymið við TUM upphaflega svipaða aðferð og Glace notaði (hér að ofan), en færði sig síðan yfir í aðferð sem notaði blöndu af nokkrum burðareiningum, sem síðan voru ofnotaðar með AFP (hér að neðan). Mynd: Tækniháskólinn í München LCC.
„Ein hugmynd er svipuð aðferð Elisabeth [Gleiss],“ segir Yager, „að setja spennustyrki á vegg ílátsins til að bæta upp fyrir mikla beygjukrafta. Hins vegar, í stað þess að nota vafningsferli til að búa til tankinn, notum við AFP. Þess vegna hugsuðum við um að búa til sérstakan hluta þrýstiílátsins, þar sem rekkarnir eru þegar samþættir. Þessi aðferð gerði mér kleift að sameina nokkrar af þessum samþættu einingum og setja síðan á endalok til að innsigla allt áður en loka AFP vafningin fer fram.“
„Við erum að reyna að ljúka við slíka hugmynd,“ hélt hann áfram, „og einnig að hefja prófanir á efnisvali, sem er mjög mikilvægt til að tryggja nauðsynlega viðnám gegn vetnisgegndræpi. Til þess notum við aðallega hitaplastefni og erum að vinna að því hvernig efnið mun hafa áhrif á þessa gegndræpishegðun og vinnslu í AFP-vélinni. Það er mikilvægt að skilja hvort meðferðin muni hafa áhrif og hvort einhver eftirvinnsla sé nauðsynleg. Við viljum einnig vita hvort mismunandi staflar muni hafa áhrif á vetnisgegndræpi í gegnum þrýstihylkið.“
Tankurinn verður alfarið úr hitaplasti og ræmurnar verða frá Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Þýskalandi). „Við munum nota PPS [pólýfenýlensúlfíð], PEEK [pólýeterketón] og LM PAEK [lágtbræðsluefni pólýarýlketón] þeirra,“ sagði Yager. „Síðan eru gerðar samanburðir til að sjá hvaða efni hentar best til að vernda gegn gegndreypingu og framleiða hluti með betri afköstum.“ Hann vonast til að ljúka prófunum, byggingar- og ferlalíkönum og fyrstu sýnikennslunni innan næsta árs.
Rannsóknin var unnin innan COMET einingarinnar „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) innan COMET áætlunarinnar hjá sambandsráðuneytinu fyrir loftslagsbreytingar, umhverfi, orku, samgöngur, nýsköpun og tækni og sambandsráðuneytinu fyrir stafræna tækni og hagfræði. Höfundarnir þakka þátttakendum Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austurríki), Montanuniversitaet Leoben (deild fjölliðaverkfræði og -vísinda, efnafræðideild fjölliðaefna, efnisfræði- og fjölliðaprófunardeild), Háskólanum í Tampere (efnaverkfræðideild), Peak Technology og Faurecia sem lögðu sitt af mörkum við þessa rannsókn. COMET-Modul er fjármagnað af ríkisstjórn Austurríkis og ríkisstjórn Steiermarksfylkis.
Forstyrktar plötur fyrir burðarvirki innihalda samfelldar trefjar – ekki aðeins úr gleri, heldur einnig úr kolefni og aramíði.
Það eru margar leiðir til að búa til samsetta hluti. Þess vegna fer val á aðferð fyrir tiltekinn hlut eftir efninu, hönnun hlutarins og lokanotkun eða notkun. Hér er leiðbeiningar um val.
Shocker Composites og R&M International eru að þróa framboðskeðju fyrir endurunnið kolefnistrefjar sem býður upp á enga slátrun, lægri kostnað en óunninn trefjar og mun að lokum bjóða upp á lengdir sem nálgast samfellda trefjauppbyggingu.
Birtingartími: 15. mars 2023